Работа контактных коммутационных аппаратов

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. методика исследований процесса отключения цепей постоянного тока контактными коммутационными аппаратами

Анализ процесса отключения электрических цепей контактными аппаратами связан с определенными трудностями. Применяемые коммутационные аппараты имеют большое число конструктивных форм и исполнений. Условия их работы также характеризуются большим разнообразием и широким диапазоном изменения параметров. Для дуговых коммутирующих узлов, кроме того, характерны нестационарность процессов, происходящих в дуге отключения, наличие большого числа взаимосвязанных параметров дуги, на которые оказывают влияние и условия работы, и конструктивные формы, и многие другие факторы. Это обуславливает нелинейный и, в значительной мере, вероятностный характер процесса отключения, что серьезно затрудняет его точный анализ и предполагает анализ, точный в статистическом смысле. Анализ влияния формы кривой спадания тока на различные параметры процесса отключения (мощность и энергию в дуге отключения, время отключения, уровень перенапряжений и др.) не раз проводился различными авторами. Однако, несмотря на наличие значительного числа работ по данной теме, их результаты, на наш взгляд, нельзя признать достаточно полными по следующим причинам:

в работах анализ проводится без достаточной его формализации, нет единой обоснованной методики или системы оценки и сравнения получаемых результатов; ток коммутационный электрический

в большинстве работ при анализе делается предположение о том, что в дуге отключения рассеивается вся энергия электромагнитного поля нагрузки [1], в результате существенно занижается роль источника питания (ИП) в энерговыделении на элементах цепи за время отключения, на что указывалось в [2,3];

во многих работах анализируются эмпирические зависимости, в которых нарушаются законы коммутации [4].

Поэтому для получения достоверных результатов, необходима методика исследований, лишенная указанных недостатков.

2. Переход к параметрической схеме замещения электрической цепи с дугой отключения

Уравнение баланса ЭДС и напряжений в цепи с дугой отключения (рис.1) имеет вид (индуктивностью и внутренним сопротивлением ИП пренебрегаем):

, (1)

где: ЭДС ИП, В;

ЭДС самоиндукции нагрузки, В;

напряжение на дуге отключения, В;

сопротивление электрической дуги отключения, Ом;

ток на интервале коммутации цепи, А;

падение напряжения на активном сопротивлении нагрузки, В.

Рисунок 1 - Нелинейная цепь с дугой отключения.

Учитывая, что при спадающем токе

, (2)

получим:

; (3)

где ток нагрузки до начала коммутации, А;

активное сопротивление нагрузки, Ом;

индуктивность нагрузки, Гн;

время горения дуги, с;

текущее время, с.

Уравнение (3) позволяет определить основные закономерности изменения параметров процесса отключения в зависимости от формы кривой спадания тока в цепи. Для этого можно воспользоваться математическими моделями реальных процессов гашения электрической дуги или использовать эмпирические зависимости. Первый путь предполагает решение весьма сложных задач, связанных с определением вида нелинейной зависимости и последующим анализом нелинейных процессов. Однако, для того чтобы выявить общие закономерности процесса отключения, не обязательно использовать динамические модели дуги. Поскольку решается задача с определенным физическим смыслом, то из множества решений уравнения (3) можно выделить некоторую область. Ее границы определяются физическим смыслом задачи.

При исследовании, например, энергетических параметров процесса отключения не нужна большая точность, с которой решение уравнения (3) описывает реальный процесс отключения цепи конкретным аппаратом. Поэтому предлагается использовать для анализа простую эмпирическую зависимость [4]:

, (4)

где n - эмпирический коэффициент, учитывающий конструкцию дугогасительного устройства (ДУ);

- длительность процесса коммутации, с.

Подставив (4) в (3), получим выражение для напряжения на коммутирующем элементе (КЭ):

, (5)

где - постоянная времени нагрузки, с.

Найдем сопротивление коммутирующего элемента в функции времени:

. (6)

Определим также время коммутации, подставив в (5) значение :

, (7)

где - значение напряжения на КЭ в момент окончания коммутации.

Таким образом моделируется нелинейная цепь (рис.1) параметрической схемой замещения (рис.2). Это позволяет использовать методы анализа линейных цепей, в частности, применять принцип суперпозиции, что делает возможным анализ раздельного влияния каждой из ЭДС уравнения (1) на характеристики процесса отключения.

Рисунок 2 - Параметрическая схема замещения

3. Определение допустимой области изменения переменных и констант

Уравнения (3) и (4) однозначно определяют связь входящих в них переменных. Однако область определения переменных и констант, входящих в эти уравнения, выходит за рамки рассматриваемых физических явлений. Чтобы результаты анализа процесса отключения цепи (рис.2) были достоверными, необходимо привести эту область в соответствие с физическим смыслом.

Анализ (5) при значениях n<1 показывает, что эмпирический процесс не соответствует реальному, т.к. нарушается закон коммутации [4]: ток в первый момент после начала коммутации не равен току, протекавшему в цепи до начала коммутации. В результате, напряжение на КЭ стремится к бесконечности (рис.3). Поэтому для анализа следует выбирать значения эмпирического коэффициента в диапазоне:

. (8)

Рисунок 3 - Эмпирические кривые при n1

В этом диапазоне эмпирическая зависимость достаточно точно описывает реальные процессы отключения цепей аппаратами управления на средние и большие токи и соответствует физическому смыслу (рис.4).

Рисунок 4 - Осциллограммы напряжения на дуге (u) и тока в цепи (i) реального процесса отключения (слева) и соответствующие эмпирические кривые (справа)

4. Формализация анализа

Как уже указывалось, на процесс дуговой коммутации оказывает влияние большое количество факторов. При использовании для анализа эмпирического выражения (4) появляется возможность исключить большинство факторов из рассмотрения. Их влияние косвенно учитывается коэффициентом n. Попытки более точного описания эмпирическими зависимостями реальных процессов для анализа общих закономерностей приводят к чрезмерному загромождению анализа. В результате, в силу особенностей дуговых процессов, достигается весьма невысокая точность, а интерпретация полученных данных затрудняется.

По-видимому, для того чтобы выявить основные закономерности изменения наиболее важных, с практической точки зрения, параметров процесса отключения, необходимо рассмотреть влияние, в первую очередь факторов, вносящих качественные изменения в процесс коммутации.

Для описания изучаемого объекта (рис.2) достаточно уравнения (3) и одного из эмпирических уравнений. С позиций математической теории эксперимента воздействия на объект выражаются в изменении уровней факторов. Управляемыми факторами в данном случае формально могут быть константы, входящие в уравнения: , , , n, , . Требуется изучить влияние, оказываемое факторами на выходные характеристики (параметры) объекта. Нас интересует, какие изменения факторов приводят к уменьшению интегральных (в основном, энергетических) и некоторых временных параметров, а также, какие факторы приводят их к увеличению.

Как видно из (4)-(7) параметры цепи , , играют роль масштабных коэффициентов при соответствующих переменных, и в данном случае они не вносят качественных изменений в изучаемый процесс, следовательно, можно исключить их из рассмотрения. Реально параметры цепи могут вносить не только количественные изменения в процесс отключения. Например, увеличение отключаемого тока выше определенных значений приводит к качественным изменениям процесса гашения дуги в щелевой дугогасительной камере. Но такое влияние, в принципе, можно учесть соответствующим изменением эмпирического коэффициента n.

Приняв , , за базовые величины, вводятся новые обозначения переменных:

. (9)

Подстановкой в (4)-(7) найденных из (9) значений соответствующих переменных, легко осуществляется переход к относительным единицам.

5. Выбор определяющего фактора для сравнения результатов анализа

После перехода к относительным единицам в число факторов, влияющих на характеристики процесса коммутации, можно включить три: эмпирический коэффициент n, время коммутации и напряжение . Все три фактора связаны простым соотношением в относительных единицах:

. (10)

Для однозначного определения формы кривой тока, необходимо задаться значениями коэффициента n и одного из оставшихся двух факторов. В рассматриваемом эмпирическом процессе отключения (4) в выбранном диапазоне (8) изменения эмпирического коэффициента n, параметр совпадает с уровнем коммутационных перенапряжений :

(11)

Кроме того, связь между и определяется соотношением (10). Поэтому нет принципиальной разницы в том, какая из этих двух величин выбирается в качестве фактора (аргумента), а какая рассматривается как параметр (функция) процесса отключения. В разрабатываемой методике выбран уровень коммутационных перенапряжений . Выбор обусловлен следующим:

- безразмерная величина;

область допустимых значений ограничена с двух сторон:

1,

где - максимально допустимая по нормативным документам величина;

диапазон изменения более узок и определеннее, чем диапазон изменения . Кроме того, минимальное значение определяется максимально допустимой по нормам, величиной перенапряжений;

в реальных условиях за счет среза тока могут возникать опасные перенапряжения, учитывать которые необходимо, но величина которых практически не зависит от .

С учетом рекомендаций, рассмотрение характеристик следует проводить в пределах пятикратного уровня . С учетом экспериментальных данных (проанализировано более тысячи осциллограмм), выбран диапазон изменения :

1,15. (12)

Выводы

Применение параметрической схемы замещения для анализа процесса отключения нелинейной цепи с электрической дугой упрощает общий анализ, позволяет использовать принцип суперпозиции, что делает возможным анализ раздельного влияния каждой из ЭДС, действующих в отключаемой цепи, на характеристики процесса отключения. Использование простого эмпирического выражения позволяет отвлечься от вероятностного характера процесса отключения, формализовать и обобщить анализ, В то же время эмпирическая зависимость содержит коэффициент n связывающий форму кривой спадания тока с типом конструкции дугогасительного устройства (ДУ). Приведение диапазона значений этого коэффициента в соответствие с физическим смыслом дает возможность получить достоверные результаты анализа, имеющие практическое значение, указывающие пути улучшения конструкции ДУ.

Список литературы

1.Рюденберг Р. Эксплуатационные режимы электроэнергетических систем и установок: Пер. с нем. / Под ред. К.С.Демирчяна-3-е изд., перераб.-Л.:Энергия.Ленингр.отд-ние,1980.-578с.

2.Ткаченко Ю.С., Мельничук В.Н. Энергетический баланс дуговых коммутаторов в отключающих аппаратах постоянного тока.-Сб/Электротехническая промышленность: Сер. Аппараты низкого напряжения, 1976, №8, с.1-3.

3.Комиссаренко А.И., Ткаченко Ю.С. Пути повышения технико-эксплуатационных характеристик коммутационных аппаратов постоянного тока // Вісник Східноукраїнського державного університету.-1998.-№3(13).-С.113-116.

4.Основы теории электрических аппаратов: Учеб. для вузов по спец.”Электрические аппараты”/И.С.Таев, Б.К.Буль, А.Г.Годжелло и др.; Под ред. И.С.Таева.-М.:Высш.шк.,1987.-352с.

Размещено на Allbest.ru